红绿交通灯课程设计

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交通信号灯设计

1 设计任务与要求

1．设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒；

2． 要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道； 3． 黄灯亮时，要每秒闪亮一次。

2 总体设计方案

交通灯控制系统的原理框图如图1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码

器的工作。图1：

L T : 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，L T =1，否则，L T =0。

Y T ：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，Y T =1，否则，Y T =0。

T S ：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。

图1 交通灯控制逻辑电路设计

3 单元电路的设计

3．1 555振荡器

555定时器是一种多用途数字-模拟混合集成电路利用它能够既极方便的构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器。在此电路中，它用来构成多谐振荡器。

我们可以根据自己的需要通过调节定时器的电阻R1，R2和电容C 以及其他一些参数的大小来设定555定时器的周期，频率，占空比等，在这个电子钟电路中，为了产生的脉冲信号的周期为1秒，根据555的计算周期的公式T=(R1+2R2)cln2，采用R1=44k,R2=50k,C=10uf 产生周期为一秒的脉冲，供电的直流电源为3V 。

原理图如下： 计数器从零开始进行L T 。

计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。74LS163的外引线排列图如图2所示，其功能表如表2所示。图中，是低电平有效的同步清零输入端，是低电平有效才同步并行置数控制端，CTp、CTt是交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，0D～3D是并行数据输入端，0Q～3Q是数据输出端。

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由两片74LS163级联组成的定时器电路下图3所示：

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给定一个时钟脉冲信号，频率设置为1hz ，U1，U2输出端经过与门U4A 作为数字选择器U6的0端和3端的输入端，U2的Q2端输出作为U6的1端和2端输入端，U6输出

T S 经过非门连接在74LS163的清零端，当u1输出为0001，u2输出为1000时，定时器清零，进行下一轮计数，从而实现了25进制的计数功能。

3．3 控制器

控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。控制器的状态转换表如表3所示。选用两个D 触发器FF1、FFO 做为时序寄存器产

生 4种状态，控制器状态转换的条件为L T 和Y T ，当控制器处于10n n

Q Q ＝ 00状态时，如果L T ＝ 0，则控制器保持在00状态；如果，L T ＝ 1，则控制器转换到1110n n Q Q ++

＝ 01状

态。这两种情况与条件Y T 无关，所以用无关项"X"表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号T S 。

根据下表：

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可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将11n Q +、1

0n Q +和T S 为1的项所对应

的输入或状态转换条件变量相与，其中"1"用原变量表示，"0"用反变量表示，然后将各

与项相或，即可得到下面的方程：

111010101010101010101010

n n n n n n n Y Y n n n n n n n L L

Y n n n n n n n n T L Y L Y Q Q Q T Q Q Q Q T Q Q Q T Q Q Q Q T S Q Q T Q Q T Q Q T Q Q T ++=++=++=+++

根据以上方程，选用数据选择器 74LS153来实现每个D 触发器的输入函数，将触发器的现态值（1n Q 、0n

Q ）加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号．即可实现

控制器的功能。控制器的逻辑图如图4所示。

图4 控制器逻辑图

把U2的Q2端接在第一个数据选择器的1端以及第三个数据选择器的1、2端再经过非门接在第一个数据选择器的2端，然后将定时器的输出端接在第二个数据选择器的零端，经过非门接在第二个数据选择器的3端，当控制器现态为00时，如果L T ＝ 0，则控制器保持在00状态；如果L T ＝ 1，则控制器转换为01状态，从而实现了控制的功能。

3．4 译码器

译码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表4所示。

表4 控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系

通过卡诺图化简得：

AG=10n n

Q Q AY=10n n Q Q AR=0n Q BG=10n n Q Q

BY=10n n Q Q

BR=0n Q

4 系统仿真

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按照上述步骤，利用proteus 软件，选择正确的元器件按照要求和步骤连接好电路，特别注意电源和地的连接。在这次仿真过程中，在开始的时候用分块的思想把各个模块都调试好了，但是在连接整个电路图的时候出现了以前没有遇见过的现象：在仿真软件中高电平显示红色，低电平显示蓝色。这次我看见了灰色，问题解决了以后才知道他是属于介于两者之间的中高电平。最后对LED 灯的参数调整了一下，就显示出了正确的结果。即实验目的中的交通信号灯。

5 安装与调试

领取到所需元器件后，在面包板上面安装电路，然后对安装好的电路进行调试。将电路接到+15伏电源上，观察数发光二极管是否正常。如果显示正常，按照仿真的电路图搭建电路。一开始并没有达到仿真软件的结果，说明电路存在问题，需要找出问题所在，是否存在连接错误或者没连接上等原因，方法是用电压表测量各部分输出的电压，以及考虑某些仿真与实际操作之间的误差。通过半天紧张的调试，终于出现了仿真的结果。这次安装调试使我明白了仿真与现实电路中的差别，可能仿真正确，但搭电路

时不能出现预期的结果，这是我们不要

慌，把心静下来耐心调试。

6 电路测试与分析

实验过程中遇到的问题及解决方法 ① 面包板测试

测试面包板各触点是否接通。 ② 计时电路测量

计时电路由两块74LS163构成，按照电路图连接电路。一块连成5进制计数器计时黄灯亮的时间，另一块连成25进制计数器。开始没有弄清74LS163的控制端是同步置数同步清零，计时一直有问题，后来通过实际把置数端用24和4时进行，最后显示正确。 ③ 控制电路测量

控制电路有两块74LS153数据选择器和两块D 触发器构成，连接电路。一开始我用两个开关控制计时电路传过来的信号模拟，实现了逻辑功能。

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④ 译码器测量

译码器就是有一些与门构成一开始有不小心因为连线有问题造成错误，这部分电路只要自己小心仔细一点，不会有什么错误。

7 收获及体会

通过这次对交通信号灯的设计与制作，使我了解了设计电路的程序，也让我加深了对于交通信号灯的原理与设计理念的理解。要设计一个电路总要先用仿真软件仿真成功之后才可以实际接线。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样。因为，在实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。

通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解。所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。

参考文献：

1. 何小艇，《电子系统设计》，浙江大学出版社，2001年6月

2. 姚福安，《电子电路设计与实践》，山东科技技术出版社，2001年10月

3. 王澄非，《电子与逻辑设计实践》，东南大学出版社，1999年6月

4. 李银华，《电子线路技术指导》，北京航空航天大学出版社，2005年6月

5. 康华光，《电子技术基础》，高等教育出版社，2003年

6. 吴立新，《实用电子技术手册》，机械工业出版社，2000年

附录：1

元器件清单：

附录：2总电路图